Тема: ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОПЕРЕНОСА В ПЕРСПЕКТИВНЫХ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯХ ПРИ МОЩНОМ ТЕПЛОВОМ ВОЗДЕЙСТВИИ

Актуальность проблемы. Изучение закономерностей теплопереноса в перспективных теплоносителях при мощном локальном тепловом воздействии является актуальной задачей теплофизики, являясь частью более широкой проблемы поиска средств интенсификации теплообмена для нужд теплоэнергетики. Уникальные свойства нанофлюидов (далее - НФ) и сверхкритических флюидов (далее - СКФ) позволяют рассматривать их в качестве перспективных теплоносителей в теплоэнергетике. Тем не менее, в силу структурной неоднородности таких сред и недостаточной изученности процессов тепломассопереноса в них, остается множество нерешенных вопросов, в том числе фундаментального плана, которые являются серьезным препятствием для применения НФ и СКФ именно в качестве теплоносителя. Также остро ощущается дефицит экспериментальных подходов для изучения таких объектов, в частности, остался совершенно неизученным важный предельный случай практически кондуктивного теплопереноса.
В современной научной литературе НФ отводится роль теплоносителей будущего, предполагая существенное улучшение их тепловых характеристик по сравнению с базовой жидкостью. Наш анализ состояния изучения теплообмена в НФ показал, что опытные данные по тепловой проводимости НФ представляют из себя противоречивую картину, общепринятого теоретического подхода также пока не существует. Основным экспериментальным методом изучения теплопереноса в НФ является метод нестационарного нагрева проволочного зонда для измерения теплопроводности (в англоязычной научной литературе - “Transient Hot-Wire technique”, сокращенно THW). Отметим, что опытные данные получены в узком интервале температур, в основном, в окрестности комнатной температуры, в отдельных работах - до 140 С. Также отметим и невысокую чувствительность THW-метода, вынуждающую исследователей работать с очень большим содержанием наночастиц в НФ, порядка единиц объемных процентов.
В отличие от нанофлюидов, изучение сверхкритических флюидов имеет давнюю историю. СКФ давно и успешно применяются в качестве теплоносителей, в мире уже десятки лет сотни теплоэлектростанций работают на сверхкритической воде. Тем не менее, в области теплообмена с использованием в качестве теплоносителей СКФ, остается множество нерешенных проблем. Поиски их решения мотивированы широко обсуждаемой в настоящее время проблемой создания ядерных реакторов 4-го поколения, охлаждаемых легкой сверхкритической водой. Удивительно, но остался совершенно неизученным теплоперенос в СКФ вне зоны конвективного теплообмена. Отметим два существенных момента. Во-первых, не существует теоретической модели, способной описать все режимы теплообмена, обнаруженные в опытах, во-вторых, все экспериментальные работы выполнены в квазистационарных режимах теплообмена. Анализ состояния обсуждаемых проблем послужил мотивацией для разработки нового метода изучения теплопереноса при мощном локальном тепловом воздействии и его апробации в таких перспективных и, одновременно, недостаточно изученных объектах, как НФ и СКФ. Создаваемые при этом в эксперименте условия дают уникальную возможность изучения особенностей практически кондуктивного теплопереноса, обеспечивая доступ к информации, которую невозможно получить никаким другим способом.
Объект исследования: жидкие теплоносители, в том числе, в не вполне устойчивых состояниях системы. К не вполне устойчивым системам будем относить системы, которые теряют устойчивость в процессе нагревания.
Цель работы: исследование особенностей теплопереноса при мощном локальном тепловыделении в нанофлюидах (в зависимости от природы базовой жидкости, концентрации и размеров наночастиц) и в сверхкритических флюидах в широком интервале сверхкритических давлений.
Для достижения цели работы был создан метод, базирующийся на управлении мощностью нагревателя-зонда и удовлетворяющий системе специфических требований.
Научная новизна
1. Создан метод, обеспечивающий управление мощностью нагревателя - зонда с целью изучения особенностей теплопереноса в импульсном процессе при мощном локальном тепловыделении, защищенный патентом на полезную модель.
2. Разработана методика сопоставления теплового сопротивления изучаемых объектов в зависимости от изменения внешнего параметра (концентрация, давление и т.п.).
3. Применение созданной методики к нанофлюидам позволило в разы расширить интервал температуры в сравнении с известными данными, вплоть до температур спонтанного вскипания, а также уверенно разрешать область сверхмалых концентраций наночастиц (10-2 объемн. %), что недостижимо другими методами. Обнаружен немонотонный ход теплового сопротивления нанофлюида в зависимости от концентрации относительно теплового сопротивления базовой жидкости.
4. Впервые в эксперименте осуществлен быстрый перевод вещества из пересжатого состояния в область сверхкритических температур по изобаре, что позволило наблюдать теплоперенос в сверхкритических флюидах вне зоны конвективного теплообмена.
5. Впервые обнаружен эффект порогового снижения интенсивности теплопереноса при заходе в область сверхкритических температур по изобаре и установлен диапазон давлений, при котором он наблюдается (1,0 ^ 3,0) р/рс.
Достоверность результатов обеспечивается: проверкой методики на различных объектах, в том числе, на общепринятых в теплофизических измерениях эталонах; применением для оценки погрешностей измерения электрических величин приборов, внесенных в Государственный реестр средств измерения; признание развитой методики измерений в качестве Государственного стандарта; обсуждением результатов работы на конференциях; получением рецензий от ведущих специалистов.
Теоретическая и практическая значимость работы
Фундаментальная значимость работы связана с получением новых знаний о закономерностях теплопереноса в нанофлюидах и сверхкритических флюидах в условиях мощного локального тепловыделения. Для сверхкритических флюидов полученное знание существенно уточняет физическую картину явлений переноса в сверхкритической области параметров.
В опытах с НФ удалось уверенно разрешать влияние сверхмалых концентраций наночастиц (~ 0,01 объемных %) на условия теплообмена. Освоенный в опытах диапазон температур расширен до сотен градусов, вплоть до температуры спонтанного вскипания базовой жидкости при заданном давлении. Таким образом, осуществлена возможность значительно более адекватной оценки применения НФ именно в качестве теплоносителя. Применительно к нанофлюидам, методика аттестована в качестве Госстандарта.
В опытах с СКФ обнаружен практически важный эффект, заключающийся в пороговом снижении интенсивности теплопереноса при заходе в область сверхкритических температур по изобаре, и диапазон давлений, при котором эффект проявляется. Этот результат позволил сформулировать рекомендации по выбору рабочего давления теплообменных устройств, работающих на сверхкритических теплоносителях.
Высокая чувствительность и быстродействие метода делают возможным его широкое применение для сопоставления эффективности конкурирующих образцов теплоносителей в условиях мощного тепловыделения.
Положения, выносимые на защиту
1. Созданная методика сопоставления теплового сопротивления различных образцов теплоносителей в строго заданных условиях тепловыделения позволяет разрешать малые изменения условий теплообмена, соответствующие малым изменениям состава образца или внешнего параметра.
2. Немонотонный ход изменения теплового сопротивления нанофлюидов в зависимости от концентрации обусловлен влиянием межфазного термического сопротивления (твердое тело/жидкость) и размерного эффекта теплопроводности материала имплантируемых в базовую жидкость частиц.
3. Пороговое снижение интенсивности теплопереноса при быстром изобарном заходе в область сверхкритических параметров обусловлено нарушением однородности вещества, что в общем случае сопровождается появлением дополнительного теплового сопротивления.
Личный вклад автора: Все представленные в работе результаты, разработка методики, создание экспериментальной установки, проведение экспериментов, обработка полученных результатов, подготовка основных публикаций, сделаны лично автором или при непосредственном его участии.
Апробация работы. Результаты работы докладывались: на II конференции «Наноматериалы и технологии» (Улан-Удэ, 2009), на XXIX и XXXI Сибирском теплофизическом семинаре (Новосибирск, 2010, 2014), на XIII РКТС (Новосибирск, 2011 г.), в качестве приглашенных докладов - на XII (2011) и XIII (2012) всероссийских школах-семинарах по проблемам физики конденсированного состояния вещества, на семинаре "Тепломассообмен и механика невесомости" в ИПМ им. А.Ю. Ишлинского РАН, на международных конференциях Nanofluids: Fundamentals and Applications II (Montreal, Canada, 2010), 19th (Aristotle University of Thessaloniki, Greece, 2011) и 20th (University of Lisboa, Portugal, 2014) European Conference on Thermophysical Properties, 18th Symposium on thermophysical properties (Boulder, CO, USA, 2012), на VII Научно¬практической конференции «Сверхкритические флюиды: фундаментальные основы, технологии, инновации» (г. Зеленоградск, Калининградская обл., 2013), на заседании Международной ассоциации по свойствам воды и водяного пара (IAPWS, Moscow, 2014).
Работа поддержана грантами РФФИ (№ 10-08-00538-а, № 13-08-00428) и Программой президиума УрО РАН «Арктика».
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 научных работ, в том числе, методика ГСССД, патент на полезную модель, 7 статей в журналах из перечня ВАК и 3 статьи в материалах конференций.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 88 наименований и содержит 118 стр. основного машинописного текста, 50 рисунков, 2 таблицы.

Купить

1. Создан метод управляемого импульсного нагрева зонда и создана экспериментальная установка для сопоставления интенсивности теплопереноса в жидких средах в масштабе малых характерных времен и размеров. Метод защищен патентом на полезную модель.
2. С помощью разработанного метода проведены опыты с двумя классами перспективных теплоносителей - нанофлюидами и сверхкритическими флюидами в широкой области изменения температуры (в импульсе) и давления. Для нанофлюидов созданная методика аттестована в качестве Государственного стандарта.
3. Установлено, что в зависимости от природы базовой жидкости, типа и размеров наночастиц, изменение относительного теплового сопротивления нанофлюида с ростом концентрации частиц может иметь как монотонный, так и немонотонный характер. Обнаружен факт взаимодействия наночастиц с поверхностью зонда, что является, с одной стороны, ограничением возможностей применения зондовых методик к таким объектам, с другой - указывает на возможность использования явления наноструктурирования поверхности в качестве технологии улучшения теплообмена в энергетике.
4. Обнаружен эффект порогового снижения интенсивности теплопереноса при переходе пересжатой жидкости в область сверхкритических температур по изобаре и установлен интервал давлений, в котором он проявляется: 1^3,0 рс.
5. В опытах по переводу пересжатой жидкости в область сверхкритических температур по изобаре установлено подобие наблюдаемых картин теплопереноса для различных веществ, в отношении которых были проведены опыты, если рассматривать их в приведенных значениях давления р/рс.
6. В отношении сверхкритических флюидов установлено отсутствие влияния на результаты наших опытов пиков избыточной теплопроводности и изобарной теплоемкости, известных из квазистационарных измерений, что было подтверждено с помощью компьютерного эксперимента, основанного на данных квазистатических опытов.

Купить